led的结构原理.doc

一、什么是白光LED：对于普通照明而言，人们需要的主要是白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（p=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色led，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。主要芯片自从1996年日亚化学发表InGaN/Y3Al5O12：Ce3+(简称YAG:Ce)荧光粉的单芯片白光LED，荧光粉转换白光LED技术随之成为市场主流。荧光粉的发展则由较不安定的硫化物与卤化物，演变至化学与高温安定性较佳的铝酸盐(Aluminate)、硅酸盐(Silicate)、氮化物(Nitride)以及氮氧化物(Oxynitride)荧光材料，近期则以氮化物(Nitride)以及氮氧化物(Oxy-nitride)最为热门欧司朗研发了(Tb1-x-yRexCey)3(Al,Ga)5O12，简称TAG，仍然是钇铝石榴石的晶体结构，只是添加元素Tb而得到区别于YAG的新的黄色荧光粉，并申请了白光LED专利。（Tb读tei铽）2、的结构和工作原理主要由结芯片、电极、光学系统及附件等组成。的发光体叫晶片，其面积为（）。在洁净的环氧树脂中，封装半导体晶片。在半导体的结的型端加正电压，空穴就会流向型端，电子则由型端流向型端。当电子通过晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域，空穴和电子可以直接结合，在结合的过程中，能量以光的形式释放出光子，这就是的发光原理。另外，有些中的电子加速后在撞击、游离化过程中也可释放出能量而发光。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子能量就越高。传统的发光二极管大多是利用砷化镓（）、磷化镓（）或它们的组合晶体（）等族的半导体构成。的颜色和发光效率等光学性能与半导体材料及其加工工艺有关。在型材料和型材料中掺入不同的杂质，就可以得到不同的单一波长的发光二极管，同时电气性能也会有所不同。根据光学原理，白光由连续光谱组成，因此，不可能制出直接发出连续光谱的单只白光。在照明领域，应用最为广泛的是白光，因此，白光的研制和技术进步，关系到在照明领域的应用和推广。单个发光二极管的光学系统包括平行发射器、偏振片、透光罩等。光学系统可以使的光束以平行光或一定的光束角发射出去（如图1所示）。因此，改变封壳圆顶的几何形状，就可以改变的光束角。白光可以由一只产生的2种或3种单色光合成，也可以由几只单色光混装在一起，按三基色合成原理得到白光，如表2所示。目前，商品化白光主要有三种发光方式：（1）在波长的蓝光晶粒上涂一层荧光物质，利用蓝光照射此荧光物质，可以产生波长的黄光，再利用透镜原理把可以互补的蓝光、黄光混合，就可以发射出白光（如图2所示）。但光谱中蓝色光谱较强，缺少红色光谱，显色指数才达到。这是目前应用最为广泛的白光制作原理。（2）经紫外芯片激发三基色荧光粉，其发光机理与三基色荧光灯相似。改变荧光粉的成分比例，就可以得到各种色温的白光，显色性较好。（3）把三基色芯片封装在一起，改变三者的发光强度比例，就可以得到任意色温的白光（如图3所示），但产品质量不易控制。产品性能一致性较差，易受环境影响。二、白光LED发光原理众所周知，可见光光谱的波长范围为380nm760nm，是人眼可感受到的七色光红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，但这七种颜色的光都各自是一种单色光。例如LED发的绿光的峰值波长为565nm。在可见光的光谱中是没有白色光的，因为白光不是单色光，而是由多种单色光合成的复合光，正如太阳光是由七种单色光合成的白色光，而彩色电视机中的白色光也是由三基色红、绿、蓝合成。由此可见，要使LED发出白光，它的光谱特性应包括整个可见的光谱范围。但要制造这种性能的LED，在目前的工艺条件下是不可能的。根据人们对可见光的研究，人眼睛所能见的白光，至少需两种光的混合，即二波长发光（蓝色光黄色光）或三波长发光（蓝色光绿色光红色光）的模式。上述两种模式的白光，都需要蓝色光，所以摄取蓝色光已成为制造白光的关键技术，即当前各大LED制造公司追逐的“蓝光技术”。 LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（p=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。（如下图所示）激发源芯片数发光材料发光原理蓝色LED1InGaN/YAGInGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光蓝色LEDInGaN/荧光粉InGaN的蓝光激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光蓝色LEDZnSe由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出的黄光混色成白光紫外LEDInGaN/荧光粉InGaN的紫外激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光蓝色LED 黄绿LED2InGaN、GaP将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白色LED蓝色LED 绿色LED 红色LED3InGaN AlInGaP将发三原色的三种小片封装在一起，构成白色LED多种光色的LED多个InGaN、GaP AlInGaP将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起，构成白色LED表一列出了目前白色LED的种类及其发光原理。目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉，其最好的发光效率约为25流明/瓦，YAG多为日本日亚公司的进口，价格在2000元/公斤；第二种是日本住友电工亦开发出以ZnSe为材料的白光LED，不过发光效率较差。从表中也可以看出某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉：即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉，在未来较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加R.G.B三颜色荧光粉，用于封装LED白光，预计三波长白光LED今年有商品化的机机会。但此处三基色荧光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用方面还在探索之中。采用LED光源进行照明，首先取代耗电的白炽灯，然后逐步向整个照明市场进军，将会节约大量的电能。近期，白色LED已达到单颗用电超过1瓦，光输出25流明，也增大了它的实用性。表二和表三列出了白色LED的效能进展。 表 二 单 颗 白 色L ED 的 效 能 进展年份发光效能（流明/瓦）备注19985199915相若白炽灯200125相若卤钨灯200550估计表三 长远发展目标单颗白色LED输入功率10瓦发光效能100流明/瓦输出光能1000流明/瓦1998年白光LED开发成功。白光LED具有发光效率高、功耗低、寿命长、环保等很多其它传统照明光源无法比拟的优势。白光LED开始广泛运用于各个领域。 白光LED技术尚有很大的发展空间。而其发光效率高、功耗低、寿命长、环保等特点更会带来更多的市场。而市场成功的关键在于：及时投资,以便达到规模经济优势；技术领先；应用开拓实力；紧密联系客户的能力；竞争和联合能力,完善生产资源,确保销售渠道。综上所述白光LED市场多元化,市场前景一片看好。目前白炽灯和卤钨灯，其光效为1224流明/瓦；荧光灯和节能灯的光效为5080流明/瓦。白光光效以到达120流明/瓦，日本LED巨头日亚（Nichia）展示的实验室结果已将LED发光效率提升至249lm/W。 LED光源具有4大明显的优点：1,使用寿命长(使用寿命可达5万到8万小时，比传统光源寿命长10倍以上)、2,节能省电(相同照明效果比传统光源节能80%以上). 3,坚固,不易破粹.4,环保(无辐射，废弃物可回收，不含汞元素)，有业内专家认为,从长远角度来看，,LED绿色照明灯具的海量市场和持续稳定的增长需求,LED照明肯定将一统天下！白光LED照明新光源的应用前景。 为了说明白光LED的特点，先看看目前所用的照明灯光源的状况。白炽灯和卤钨灯，其光效为1224流明瓦；荧光灯和HID照明灯的光效为50120流明瓦。对白光LED：在1998年，白光LED的光效只有5流明瓦，到了1999年已达到15流明瓦，这一指标与一般家用白炽灯相近，而在2000年时，白光LED的光效已达25流明瓦，这一指标与卤钨灯相近。有公司预测，到2005年，LED的光效可达50流明瓦，到2015年时，LED的光效可望达到150200流明瓦。那时的白光LED的工作电流便可达安培级。由此可见开发白光LED作家用照明光源，将成可能的现实。 普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜，但光效低（灯的热效应白白耗电），寿命短，维护工作量大，但若用白光LED作照明，不仅光效高，而且寿命长（连续工作时间10000小时以上），几乎无需维护。目前，德国Hella公司利用白光LED开发了飞机阅读灯；澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光LED作路灯照明；我国的城市交通管理灯也正用白光LED取代早期的交通秩序指示灯。可以预见不久的将来，白光LED定会进入家庭取代现有的照明灯。照明光源一般要求色温在27006400K之间，显色指数Ra80，因此，开发满足照明要求的高发光效率、低光衰的荧光粉对拓宽白光LED在照明中的应用具有重要的意义。光效=光通量Lm/功率W=lm/w将日光和接近日光的人工标准光源的一般显色指数定为10